大型液压挖掘机的TriPower技术解析
摘要: TriPower是原西德O&K公司在20世纪80年代初 推出的一种用于液压正铲挖掘机前端结构的机械装置，1982年首先应用在新的RH40C上，随后在所有的新型大型挖掘机上都应用了TriPower技术， 并一直应用至今，经历了特雷克斯和比塞洛斯时代后，目前，卡特彼勒所有6000系列正铲挖掘机也都采用TriPower技术，成为一道独特的风景。 ...
| 当时普 遍认为，TriPower的好处主要有两点，一是在几何上使得单独操纵动臂或斗杆的动作时，铲斗能与地面保持固定的角度，二是可以增加最高达50%的推压 力。不过随着时间的推移和认识的深入，情况也发生了一些变化。
TriPower 的核心是一个独特的摇臂结构，位于动臂两侧的摇臂通过枢轴与动臂相连，每个摇臂的3个角分别连接翻斗油缸、动臂油缸和一根连杆，连杆的另一端连接到挖掘机 的上部结构上，这样，油缸的动作会引起摇臂的旋转，继而带来连锁反应，产生不同于其他常规挖掘机的运动学和动力学效果。
首先是其几何上的功能带来的运动学效果，无论动臂油缸还是斗杆油缸的伸缩动作，都会产生四边形机构的效果，即铲斗会平行移动，与地面保持一个固定的角度。而 其他常规设计，动臂油缸的动作都会带来整个前端机构绕动臂支座旋转，带来铲斗角度的变化；斗杆油缸的动作则要具体看翻斗油缸的布置形式，在 TriPower刚出现的年代，大多数正铲挖掘机的翻斗油缸还是安装在斗杆上的，只有少数型号将翻斗油缸安装在动臂上，前者对斗杆油缸的动作非常敏感，铲 斗角度的变化与斗杆角度的变化同步，而后者则与TriPower类似，斗杆油缸的动作引起的铲斗角度变化很小。当然现今的挖掘机都已经抛弃了把翻斗油缸安 装在斗杆上的设计，因此现在来看，TriPower和其他常规正铲挖掘机在运动学上的区别仅针对动臂油缸的伸缩。
铲斗自动保持固定角度的好处是多方面的，在安全性上，即便在所有油缸全部伸出的情况，铲斗仍可在最大高度时处于安全位置，不必担心物料向后方落下。同时还能 简化操作，驾驶员不需要做复合动作就能保持铲斗的角度，这在将铲斗插入料堆时是非常有利的，也可以快速简便地清理地面，以及选择性地挖掘某个地层，而无需 随时调整铲斗的角度。此外装填后的铲斗自动保持角度不变，避免了物料在动臂提升期间溢出。在举升动臂时由于不需要翻斗动作，动臂油缸的流量得到充分保证， 可以提高效率，缩短循环时间。 在动力学效果上，TriPower产生了更大的动臂提升力。由图中我们可以看出，当动臂油缸施加力Fh 时，Fh乘以动臂油缸到动臂支座的距离e就是动臂油缸的力矩Mh，而此时铲斗及载荷通过翻斗油缸和摇臂传递给连杆，并最终传递到上部结构，而连杆上的反力 F+乘以连杆到动臂支座的距离f就是连杆的力矩M+，M+与Mh方向相同，因此由于TriPower使得提升动臂的力矩增加，也就是说动臂提升力得到了增加。 由于翻斗油缸和连杆几乎始终处于对立的状态，产生的力矩总是方向相反，因此在用斗杆油缸进行推压动作时，铲斗会获得由连杆的反作用力产 生的额外的推压力，并始终存在，这就使得挖掘力得到提高，从而缩短循环时间，提高了工作效率。不过，即使没有TriPower，只要翻斗油缸连接在动臂上 而不是斗杆上，也能获得类似的效果，因此随着后来所有挖掘机都改变了翻斗油缸的连接方式，这个优势也就不明显了。 TriPower在动力学 上的另一个特点是可以在动臂提升时保持动臂力矩的恒定。在常规挖掘机上，当动臂提升时，力臂e会随着角度的变化而减小，因此动臂油缸的力Fh不变时，动臂 力矩也是在不断减小的。当动臂油缸完全伸出时，力臂e会比其最大值小大约40%～45%，因此动臂力矩也将比最大值时损失大约40%～45 %。 而 TriPower的联动结构则可以对此给予补偿，如图可知，TriPower结构提供了力臂a和c，可以产生额外的提升力矩。当动臂提升时，力臂e减少， 但力臂a和c却在增加，因此补偿了力矩的损失。而动臂处于低位时，力臂a和c都很小，趋近于零。最终结果就是动臂力矩保持恒定。 以下数学公式可以证明这种关系。 M = Mh + M+ Mh = Fh . e M+ = F+ . b Fh . a = F+ . d F+ =Fh . a/d M+ =Fh . a . b/d M = Fh . e + Fh . a . b/d M = Fh . (e + a . b ) M = 常量 恒 定的动臂力矩意味着可以用更小的动臂油缸以及更快的提升速度，而且在提升动臂的同时无需缩回斗杆油缸，这就减少了循环时间并简化了操作，也确保了动臂油缸 所需的流量。相比常规挖掘机，按照厂商的说法，提升空斗时TriPower可以增加约10%的动臂力矩，而在将铲斗从料堆中提起时，动臂力矩甚至可以增加 到40%。 30多年来，已有上千台采用TriPower技术的挖掘机在全世界范围内得到应用，经受了各种考验。TriPower仅仅通过简 单的摇臂和连杆，基于纯粹的几何和力学原理，就带来了出色的机械平衡和控制能力，实现了更高的生产力。不得不说，TriPower是项神奇的发明。 |
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